CN106847649A - 一种提高微通道板增益的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高微通道板增益的方法，利用真空镀膜方法在微通道板的输入端蒸镀一层介质膜层，将金属输入电极覆盖，介质膜层既覆盖微通道板通道入口的输入电极，又覆盖微通道板输入端表面上的输入电极。所述介质膜层材料为二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、三氧化二铝(Al2O3)。采用本发明提供的方法后，微通道板的增益较改进前提高了1倍以上，而且不改变原有微通道板的特性，如板阻，暗电流，分辨力等参数；解决了像增强器制造过程中部分MCP增益达不到要求，致使像增强器报废的问题，提高了超二代像增强器制造的良品率。

Description

一种提高微通道板增益的方法
技术领域
本发明属于微光像增强器技术领域，尤其涉及一种提高微通道板增益的方法。
背景技术
微通道板(Micro Channel Plate，MCP)是一种多孔状的二维纤维阵列，由几百万根空心纤维管所组成，见图1和图2。图1为MCP的结构示意图，图2为MCP的局部放大示意图。MCP的每一根空心纤维管均是一根独立的电子倍增通道2。通道2的输入端和输出端分别制作有输入电极4和输出电极5，且每一根通道内壁3表面均具有二次电子发射特性。输入和输出电极的材料为镍铬合金(Ni-Cr)。电极起到给MCP的输入和输出端施加电压和供给电流的作用。MCP工作时，输入电极和输出电极之间需施加800V至1000V的直流电压。当MCP的输入端有输入电子6进入通道时，电子在电场的作用下从输入端向输出端的运动过程中不断与通道内壁3碰撞并产生二次电子。由于通道内壁的二次电子发射系数大于1，因此电子在从通道的输入端向输出端的运动过程中，电子数量不断得到倍增，当电子从通道的输出端输出时，输出电子7数量较输入电子6数量增加了多倍，因此实现了电子数量的放大。MCP电子数量的放大倍数通常简称MCP增益，指MCP的输出电流与输入电流之比。
微光像增强器(简称像增强器)就是利用MCP的这一特点来进行信号增强的，因此MCP是微光像增强器的核心部件。像增强器的结构示意图见图3。当输入光通过像增强器输入窗8入射到像增强器光电阴极9时，光电阴极9发射输入电子6，电子在电场的作用下向MCP的输入端运动，经过MCP的倍增，最后从MCP的输出端输出。MCP的输出电子7再在电场的作用下向荧光屏10运动，轰击荧光屏发光，从而实现了微弱光信号的放大，然后通过像增强器输出窗11输出。微光像增强器的一个主要性能指标就是增益，指像增强器的输出光通量与输入光通量之比。像增强器的增益与MCP的增益成正比，因此MCP的增益高低决定着像增强器的增益高低。MCP的增益在出厂时通常可以高达几千倍。然而当MCP使用在像增强器中时，为了保证MCP的增益稳定以及像增强器的寿命，通常在像增强器的制造过程中需要对MCP进行电子清刷。所谓电子清刷就是让MCP在高电流密度输入的条件下进行长时间工作，在此过程中，MCP的增益会衰减，但同时MCP的增益也得到了稳定。另外通过电子清刷，MCP所吸附的气体也能得到充分释放，并被真空泵抽走，使像增强器的寿命得到保证。如用于超二代像增强器的MCP(通道直径为Φ6μm)，在经过65μA·h的电子清刷之后，约有25％的MCP的实际增益低于100，即不能满足超二代像增强器增益指标的要求，由此造成了像增强器的报废。
申请号为201410017498.3的中国专利申请公开了一种用于光电倍增管的微通道板，所述微通道板在输入电极方面与正常微通道板有区别。输入端面镀电极时，采用定向半通道蒸镀法，使微通道板输入端通道内一半有电极层，另一半无电极层。这种方法使得在使用中，入射至通道内的电子被通道输入电极所吸收的几率较小一半，因此在一定程度上能够提升微通道板的增益。然而由于微通道板输入电极是非对称的，在像增强器中应用时，会影响微通道板的分辨力以及均匀性，所以这种方法仅仅适用于对分辨力和均匀性要求不高的探测器，如光电倍增管等，不适用于对分辨力和图像均匀性要求高的成像器件，如像增强器等，故而不能解决超二代像增强器所要求的增益指标问题。
申请号为201610856148.4的中国专利申请公开了一种高收集效率微通道板，微通道板型光电倍增管及其制备方法，提出了一种高收集效率的微通道板。该种微通道板与传统的微通道板不同，它是利用原子层沉积技术在一次蒸镀完成表面电极的微通道板基础上，在微通道板的输入、输出表面以及通道内部同时制作一层复合叠层薄膜，该叠层薄膜的材料为二氧化硅、氧化铝或氧化镁，厚度为1～30nm。然而由于该种微通道板的复合叠层薄膜在微通道板的通道中存在，因此会改变原有MCP的板阻，暗电流也会增加(特别是当该种复合叠层材料的二次电子发射系数较高时现象更明显)。另外该复合叠层薄膜在微通道板的输出端也存在，因此还会降低原有微通道板的分辨力。所以这种方法也仅仅适用于对分辨力要求不高的探测器，如光电倍增管等，不适用于对分辨力要求高的成像器件，如像增强器。该专利在微通道板上所制作的叠层薄膜是采用原子层沉积技术，其原理是将MCP放入在真空反应室中，然后向反应室中交替通入不同的反应气体，通过化学反应沉积膜层。因此这种技术所沉积的膜层是在MCP上的任何位置上都有，不仅通道中有，而且输入和输出表面均有，并且厚度均相同，所以利用原子层沉积技术不能选择性的在MCP的输入或输出面上进行镀膜。
发明内容
为了提高MCP在电子清刷后的增益，提高超二代像增强器制造的良品率，本发明提供一种提高微通道板增益的方法。
本发明第一方面，提供一种提高微通道板增益的方法，利用真空镀膜方法在微通道板的输入端蒸镀介质膜层，将金属输入电极覆盖，介质膜层既覆盖微通道板通道入口内部的输入电极(通常MCP输入电极的深度为通道直径的一半)，又覆盖微通道板输入端表面上的输入电极。
所述介质膜层材料为二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或三氧化二铝(Al2O3)。
进一步地，所述介质膜层的厚度为5±0.5nm。膜层太厚容易脱落，容易产生发射点，再有过厚的膜层覆盖在MCP输入端面的电极上，会使该膜层表面积累电荷，影响像增强器的正常工作。而膜层过薄则起不到绝缘MCP输入电极导电的作用。
进一步地，所述二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或三氧化二铝(Al2O3)的纯度不小于99.99％。
所述介质膜层蒸镀时镀膜机蒸发源的蒸发方向与微通道板输入端面的夹角α为26.6±3°，该夹角范围主要针对输入电极深度为通道直径一半的MCP，不同于本发明提及的MCP，角度可做适应性调整。在MCP的输入端蒸镀介质膜层时，需要考虑镀膜机蒸发源与MCP的输入端面之间所形成的蒸镀角。只有镀膜机蒸发源与MCP的输入端面之间形成一定的蒸镀角α，才能保证所镀制的介质膜层进入MCP通道内的深度等于MCP通道输入电极的深度，这样才能覆盖MCP通道内的Ni-Cr输入电极，如图5所示。图中看出，镀膜机蒸发源的蒸发方向与MCP输入端面的夹角α的大小决定所镀膜层进入MCP通道内壁的深度，夹角α越小，膜层进入MCP通道内部的深度越浅；夹角α越大，膜层进入MCP通道内部的深度越浅。如果夹角α太大(大于26.6°)，膜层进入MCP通道内部的深度太浅，所镀制介质膜层不能覆盖MCP通道内部的Ni-Cr输入电极，输入到通道内部的电子仍然会有可能被Ni-Cr输入电极所吸收。如果夹角α太小(小于26.6°)，膜层进入MCP通道内部的深度太深，所镀制的介质膜层不仅完全覆盖了MCP通道内部的Ni-Cr电极，而且还会覆盖一部分通道的内壁，改变了原来MCP的倍增结构，由此会影响MCP的性能，如会增加MCP的暗电流射，恶化像增强器的暗背景(特别是当使用二次电子发射系数较高的材料，如CsI、NaCl等时)。但如果所蒸镀的膜层较薄，则不能完全覆盖MCP输入电极，起不到绝缘作用。所以所镀制的介质膜层与完全覆盖通道内的输入电极为准。
所述介质膜层的蒸镀工艺如下：将微通道板放入微通道板镀膜夹具中，然后放入镀膜机的工件转盘上；在镀膜机的坩埚中放入二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或三氧化二铝(Al2O3)颗粒；关闭镀膜机门，启动镀膜机的真空抽气系统，当镀膜机的真空度达到4×10-5托后，开始对镀膜机的转盘进行加热，温度设置为120～125℃，加温时间为20～30分钟，保温时间为10～20分钟；加温结束后，启动镀膜程序；镀膜过程结束后，自然降温，当温度低于50℃时，关闭真空阀门，停止向真空室抽真空，并向真空室冲入氮气，使真空室的真空度恢复到大气压，取出微通道板。
本发明第二方面，还提供一种根据所述方法制备得到的微通道板，所述微通道板在增益提高的同时，仍保持原来MCP的特性不变，如板阻、暗电流、分辨力等参数，尤其适用于成像器件。
本发明在MCP的输入端镀制介质膜层12来提高MCP增益的基本原理是基于在微光像增强器的工作过程中，当光电阴极所发射的光电子向MCP的输入端运动并进入MCP通道内的过程中，会有一部分入射电子6撞击到MCP通道入口处的输入电极4，如图2所示。由于金属电极能导电，会使这一部分撞击到MCP通道输入端电极上的电子中的大部分被导走，从而不再进入通道内产生二次电子倍增，即不会产生输出电子，由此造成了一定数量的输入电子损失，降低了MCP的增益。但如果利用二氧化硅(SiO2)等介质膜层12将MCP的输入电极4覆盖，这部分撞击到输入电极上的输入电子6就不会被输入电极导走，因此可以进入通道内进行电子倍增。由于减小了输入电子数量的损失，相应的提高了MCP的增益。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用本发明提供的方法，电子清刷后MCP的增益较改进前提高了1倍以上，而且保持了原来MCP的特性不变，如暗电流，分辨力等参数；解决了像增强器制造过程中部分MCP增益达不到要求，致使像增强器报废的问题，提高了超二代像增强器制造的良品率。
附图说明
图1为微通道板1的示意图；
图2为MCP局部放大示意图；
图3为像增强器工作原理示意图；
图4为蒸镀介质膜后的MCP局部放大示意图；
图5为MCP镀膜角度要求放大示意图；
图中标记：1-微通道板，2-通道，3-通道内壁，4-输入电极，5-输出电极，6-输入电子，7-输出电子，8-像增强器输入窗，9-光电阴极，10-荧光屏，11-像增强器输出窗，12-介质膜层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
实施例1
将直径为Φ25mm，通道直径为6μm的MCP放入MCP镀膜夹具中，并将该镀膜夹具连同MCP一起放入镀膜机的工件转盘上。镀膜机为LEYBOLD OPTICS公司的ARES710型镀膜机。
在镀膜机的坩埚中放入一定数量的二氧化硅颗粒。二氧化硅厂家为UMICORE公司，牌号为0481269，粒度为0.2-0.7mm，纯度为99.99％。
关闭镀膜机门。设置镀膜机的参数如下：启动镀膜机的真空抽气系统。当镀膜机的真空度达到4×10-5托后，开始对镀膜机的转盘进行加热，温度设置为120℃，加温时间为25分钟，保温时间为15分钟。
加温结束后，启动镀膜程序。该镀膜程序与光学玻璃蒸镀二氧化硅膜层的镀膜工艺基本相同。
镀膜过程结束后，自然降温，让工件冷却下来，当温度低于50℃时，可以关闭真空阀门，停止向真空室抽真空，并向真空室冲入氮气，使真空室的真空度恢复到大气压。当真空室真空度恢复到大气压时，打开真空室门，取出MCP并存放于干燥柜中以备用，完成MCP的镀膜。
表1为采用本专利发明前后所制作的像增强器MCP增益的测试数据表。像增强器样管为Φ18mm超二代像增强器，所采用的MCP直径为Φ25mm，丝径为Φ6μm。电子清刷的总剂量为65μA·h。编号为A1～A4的四只样品为采用标准MCP制作的样管，而编号为B1～B2的四只样品为采用本发明方法蒸镀二氧化硅膜层以后的MCP所制作的样管。两类样管除MCP有区别外，其余均相同。
表1
从表1中的测试数据可以看出，四只采用标准MCP样管的MCP增益，在800V工作电压条件下平均为78倍，而采用本发明方法蒸镀二氧化硅膜层以后的MCP所制作样管的MCP增益，在800V工作电压条件下平均为149倍。由此可见，本发明实施以后，像增强器的MCP增益较实施前提高了1倍以上。但同时像增强器的分辨力未发生变化，即都为57lp/mm，均达到像增强器的设计标准。

Claims (7)

1.一种提高微通道板增益的方法，其特征在于，利用真空镀膜方法在微通道板的输入端蒸镀介质膜层，将金属输入电极覆盖，介质膜层既覆盖微通道板通道入口的输入电极，又覆盖微通道板输入端表面上的输入电极。
2.根据权利要求1所述的提高微通道板增益的方法，其特征在于，所述介质膜层材料为二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或三氧化二铝(Al2O3)。
3.根据权利要求1所述的提高微通道板增益的方法，其特征在于，所述介质膜层的厚度为5±0.5nm。
4.根据权利要求2所述的提高微通道板增益的方法，其特征在于，所述二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或三氧化二铝(Al2O3)的纯度不小于99.99％。
5.根据权利要求1所述的提高微通道板增益的方法，其特征在于，所述介质膜层蒸镀时镀膜机蒸发源的蒸发方向与微通道板输入端面的夹角α为26.6±3°。
6.根据权利要求1所述的提高微通道板增益的方法，其特征在于，所述介质膜层的蒸镀工艺如下：将微通道板放入微通道板镀膜夹具中，然后放入镀膜机的工件转盘上；在镀膜机的坩埚中放入二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或三氧化二铝(Al2O3)颗粒；关闭镀膜机门，启动镀膜机的真空抽气系统，当镀膜机的真空度达到4×10-5托后，开始对镀膜机的转盘进行加热，温度设置为120～125℃，加温时间为20～30分钟，保温时间为10～20分钟；加温结束后，启动镀膜程序；镀膜过程结束后，自然降温，当温度低于50℃时，关闭真空阀门，停止向真空室抽真空，并向真空室冲入氮气，使真空室的真空度恢复到大气压，取出微通道板。
7.一种根据权利要求1～6任一所述的方法制备得到的微通道板。
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